基于光纤测温传感器的坝前水库和升船机塔柱监测资料分析

2022-02-02刘勇军丁琦华

水电与抽水蓄能 2022年6期

刘勇军，丁琦华，耿峻

（1.中国长江三峡集团有限公司流域枢纽运行管理中心，湖北省宜昌市 443133；2.中国长江三峡集团有限公司湖北能源集团股份有限公司，湖北省武汉市 430077）

0 引言

三峡升船机是三峡水利枢纽的永久通航设施之一，为齿轮齿条爬升式垂直升船机，设计最大过船吨位为3000t级客货轮，年单向通过能力350万t，最大垂直升降高度113m，上、下游通航水位变幅分别为30m和11.8m，具有工程规模大、升降高度高、提升重量重、上下游水位变幅大及下游水位变化快等特点，是目前世界上规模最大、技术难度最高的通航建筑物。升船机由上游引航道、上闸首、船厢室、下闸首和下游引航道组成，主体结构主要由船厢室混凝土底板、四个混凝土承重塔柱、剪力墙、连接梁和顶部机房等组成。

三峡升船机每个承重塔柱的底板为实体混凝土，板底高程为48.0m，板顶高程为63.0m，63.0m至194.5m高程范围内为具有4个竖井的“双日字”空心箱体结构[1]。因此，三峡升船机塔柱为混凝土高耸薄壁结构，塔柱变形与应力应变等受温度变化影响较大，需对三峡升船机塔柱温度的分布及变化进行系统观测。同时为了解三峡大坝库水温度及其变化规律，对蓄水后的坝前库水温度进行系统观测。

1 光纤温度传感器种类及其原理

光纤温度传感器种类繁多，主要有分布式、光栅式、辐射式、半导体吸收式、光纤热色、光纤液体、光纤荧光、外差干涉、光纤偏振、干涉型、利用热双金属片构成等多种类型[2]。因其种类繁多，光纤温度传感器在水利水电[3，4]、建筑、隧洞、边坡、桥梁、航空、电力、交通等众多领域均有应用。光纤温度传感器采用的原理、结构、式样最多，其潜在的优点[5，6]是测量精度高、抗电磁干扰、安全防爆、可绕性好。

坝前库水温度监测分布式光纤测温系统采用定制的2芯多模双护套铠装光缆，使用美国SensorTran公司生产的DTS5100-M10光纤解调仪进行数据采集。升船机塔柱光纤光栅温度传感器及坝前18个光栅光纤温度传感器规格和型号为BGK-FBG-4700型光纤光栅温度计，双护套单模单芯铠装光缆连接，使用BGK-FBG-8210调制解调器进行数据采集。下面结合本文应用简要介绍分布式光纤和光纤光栅温度传感器的原理。

1.1 分布式光纤测温原理

分布式光纤集传感测温与信号传输于一体，采用特定频率的光照射光纤内的玻璃芯，随着光在玻璃芯内传输会产生瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等类型的辐射散射[7]。其中拉曼散射式的分布式光纤测温具有较成熟的产品。

分布式光纤测温原理[8-11]主要利用OTDR技术（光时域反射技术）和拉曼散射温度效应。OTDR技术是利用反射光功率与返回时间的关系检验出光纤线路沿线的损耗及故障，以探测出光纤沿线位置的温度、应变的变化。拉曼散射是入射光光子与光纤中分子发生碰撞作用发生能量交换而产生的，碰撞造成入射光反射，反射光强度与反射点的温度有关，反射点温度越高，发射光强度越大。分布式光纤系统能连续、实时测量温度，具有实时在线、测温精度高、安全和抗电磁干扰等优点。

1.2 光纤光栅测温原理

光纤由芯层和包层组成，主要成分为SiO2，在芯层特殊掺杂下使芯层折射率n大于包层折射率n2大，通过光反射使光在芯层传播。光纤沿线芯层有着大小不同的折射率n1，从而形成光栅。入射光在具有特定折射率的光栅处反射特定波长（布拉格波长）的光。若光栅处温度改变，受热胀冷缩影响，光栅处反射光波长也会变化，通过测量反射光波长可知光栅处温度变化。光纤光栅分布式传感器系统原理如图1所示。

图1 分布式光纤光栅传感器原理图Figure 1 Schematic diagram of distributed fiber Bragg grating sensor

光纤光栅传感系统中串接有多个光栅，各光栅常数不同，入射光在光栅处反射不同波长的光，反射光经分路器进入光纤光栅解调仪，解调仪信号探测处理器可探测到反射光波长及变化，经过处理，能得到各光栅处的实际温度。

光纤光栅传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外，还有一些明显优于光纤传感器的地方，其中最重要的就是它的信号为波长调制。这一传感机制的好处[12]在于：①测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；②避免了一般干涉型传感器中相位测量的不清晰和对固有参考点的需要；③能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布拉格光栅进行分布式测量。另外，光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度等进行高分辨率和大范围地测量。

2 光纤传感器埋设实施

2.1 坝前水库温度监测布置

为了解三峡大坝库水温度及其变化规律，在大坝浇筑施工期间，在坝体内部靠近上游面虽埋设有点式温度计用来测量库水温度，但点式温度计数量不多，只能测量库水相应高程局部温度，难以取得空间上连续的温度分布资料。且因埋设点位于坝体内，所测温度受坝体混凝土温度影响，与实际库水温度存在误差。

根据三峡工程质量专家组的意见，对蓄水后的坝前库水温度进行系统观测。结合库水温度观测的实际现状，在左厂14-2号坝段坝前布设一条从库底到坝顶的测温线，采取分布式光纤和光栅光纤共两套测温光缆进行观测。

分布式光纤测温系统采用2芯多模双护套铠装光缆，从44.05m高程到176.55m高程，每0.5m一个测点，共计270个测点。光纤光栅温度传感器测点布置上密下疏，即从正常蓄水位175m到防洪限制水位以下10m处即高程135m，每5m布置一个测点，从高程135m至库底淤积层44.05m高程每10m布置一个测点，共计18个温度测点。光纤光栅温度计传感器光缆采用1芯单模双护套铠装光缆连接，按回路布置。两套光缆系于同一根受力钢缆上，仪器详细布置见图2。

图2 14-2号坝段坝前库水温测温光纤布置示意图Figure 2 Layout of optical fiber for temperature measurement of reservoir water temperature in front of No.14-2# dam section

2.2 升船机塔柱温度监测布置

升船机船厢室段塔柱为钢筋混凝土高耸薄壁结构，壁厚为1.0m。为监测塔柱的温度及其变化情况，考虑到各塔柱在温度下的差异，在3号塔柱和4号塔柱选择一个监测断面，在该断面筒体内、外侧墙按20m左右间距从62m高程至186m高程范围内共埋设7层温度测点，每个层面在墙壁的内外表面及中间处各埋设1个测点。两个塔柱共布设84个测点，测点布置高程分别为3号塔柱：62.0m、84.0m、104.0m、125.0m、144.0m、169.0m、186.0m；4号塔柱：62.0m、79.0m、94.0m、114.0m、134.0m、156.0m、176.0m。

3 安全监测结果分析

3.1 坝前光纤库水温安全监测主要成果

（1）坝前库水温度分布。

2009～2014年共计观测154测次，各高程库水温度温差＜0.5℃有130测次；温差0.5～1.0℃有12测次，温差＞1.0℃有12测次，温差最大值2.7℃（库水温度温差：同一次观测，60.05～140.05m各高程库水温度的最大值减去最小值）。监测成果显示，库水最高温度为26.8℃，最低温度10.2℃，在水面以下至库底淤积层以上范围内，水温基本一致，未见明显的温度梯度。

从图3可知，高程53.0～145.0m均位于水下，高程145.0m上部曲线转折处，位于水面以上为气温；高程53.0m以下曲线转折处，为库底淤积层，淤积层高程逐年有所上升，2009年9月库底淤积层高程约42m，2014年9月，淤积层高程约52.5m。结合图3和图4可知，库水温度受季节影响较大，库水温度全年无明显分层现象。

图3 9月库水温度—高程分布图Figure 3 Distribution of reservoir water temperature with elevation in September

图4 1月库水温度—高程分布图Figure 4 Distribution of reservoir water temperature with elevation in January

（2）与坝体上游面常规温度计对比。

从库底到坝顶的分布式光纤测温线布置在左厂14-2号坝段坝前，左厂14号坝段坝体内部靠近上游面埋设有常规温度计，二者部位接近。

从图5可知，62.0～144.0m高程各测点测值温度—时间过程线基本重叠，反映同时间各高程库水温度基本一致。90.05m高程为分布式光纤处的测值，与62.0～144.0m高程各测点测值温度基本一致。

图5 左厂14号坝段坝面温度—时间过程线Figure 5 Time history plot of dam surface temperature of No.14 dam section of left powerhouse

162.0m、173.5m高程2个测点，部分时段位于水面以上，受气温影响，与62.0 ～144.0m高程各测点测值有所差别。47.0m高程1个测点，2012年下半年之后，测点测值变幅小于其他测点。表明2012年7月之后，该测点位于库底淤积层以下。

3.2 升船机塔柱安全监测主要成果

（1）入仓温度及水化热最高温度。

2009年12月9日开始，至2012年2月5日止，完成了升船机塔柱84支光纤光栅温度计的安装埋设工作。仪器埋设时间有低气温的1～3月，也有高温季节的7～9月。

监测成果显示，混凝土入仓温度4.7（2012年2月5日）～22.8℃（2011年7月27日），低温季节混凝土入仓温度控制较好，高温季节浇筑的混凝土入仓温度偏高；混凝土覆盖后，由于水化热温升，仪器埋设部位的混凝土最高温度28.8（2012年2月5日）～57.3℃（2011年7月27日）；混凝土覆盖后28～75h，达到峰值温度，低温季节浇筑的混凝土水化热温升最高温度低，高温季节浇筑的混凝土最高温度高。水化热温升15.3～37.5℃。典型水化热温升过程线见图6。

图6 典型水化热温升过程线Figure 6 Time history plot of temperature rise of typical hydration heat

从图6可知，混凝土覆盖后，由于水化热温升，仪器测值明显升高，达到峰值温度后开始明显下降。由于塔柱为薄壁结构，混凝土厚度仅1m，每层的3支温度计按照“中间1支、两边各1支”的布设方式埋设。埋设在同一塔柱同一侧墙内的3支仪器中，中间的温度计测值较两边的温度测值略高，且越接近峰值时温差越明显。塔柱两侧临空，受气温影响，混凝土温度下降较快。

（2）塔柱混凝土温度变化范围。

仪器埋设初期受水化热作用达到最高温度后，塔柱混凝土温度主要受气温影响，统计塔柱混凝土温度特征值不包括水化热最高温度。塔柱各部位混凝土实测最高温度27.9～40.8℃，最低温度0.3～6.5℃。最高温度出现在高温季节，最低温度出现在低温季节，塔柱混凝土温度受气温影响明显。三峡坝区8时气温-3.4（2011年1月8日）～30.2℃（2013年6月19日），由于常规观测频次为1次/旬，且基本为上午10时左右进行观测，因此塔柱混凝土最高温度与坝区8时气温最高温度出现的时间并不完全相同。从图7可知，塔柱混凝土温度与坝区8时气温变化规律基本一致。

图7 塔柱混凝土温度典型过程线Figure 7 Time history plot of temperature in tower column concrete

（3）塔柱混凝土温度分布。

从图8可知，塔柱内墙2012年温度分布图看，2012年1月9日，3号塔柱、4号塔柱内墙130m以上高程的温度基本相同，下部温度较上部温度高。2012年5月5日，3号塔柱、4号塔柱内墙150m以上高程的温度基本相同，3号塔柱下部温度较上部温度高，比4号塔柱温度高。2012年8月22日，4号塔柱内墙100m以下高程的温度比上部高，且内侧比中间及外侧温度高，也比3号塔柱温度高。塔柱下部空气流通较上部缓，有保温效应。升温阶段，3号塔柱温升较4号塔柱快。

图8 2012年塔柱内墙温度—高程分布图Figure 8 Temperature distribution of inner wall of tower column with elevation in 2012

从图9可知，2012年1月9日，3号塔柱外墙各高程温度基本相同、4号塔柱外墙温度比3号塔略低。130m以上高程的温度基本相同，下部温度较上部温度高。2012年5月5日，3号塔柱外墙温度高于4号塔柱。2012年8月22日，3号塔柱130m以下高程温度比4号塔柱130m以下高程温度高，130m以上高程温度接近。

图9 2012年塔柱外墙温度—高程分布图Figure 9 Temperature distribution of external wall of tower column with elevation in 2012

（4）与同部位埋设温度计相比。

3号塔柱在84m、144m和186m三个高程共埋设有18支点式温度计，每层6支温度计分别与对应高程的光纤光栅温度测点位置一致。现选取186m高程的光纤光栅测点（T40SCJTZ03、T41SCJTZ03、T42SCJTZ03）与同位置埋设的点式温度计测点（T58SCJTZ03、T59SCJTZ03、T60SCJTZ03）从埋设至进入运行期间的数据比较，见图10。

从图10可知，塔柱从浇筑混凝土水化热阶段进入运行期间，光纤光栅和埋设点式温度计之间的温度数据及规律基本一致，说明了光纤光栅监测技术在混凝土温度监测中的适用性和可靠性。但受施工和光纤自身脆弱性影响，光纤在施工埋设安装容易被损坏，应注意土建施工中对光缆的保护。